CDMA (IS-95) Este tutorial presenta los conceptos básicos de Sistemas Celulares CDMA (IS-95).

Transcripción

1 CDMA (IS-95) Este tutorial presenta los conceptos básicos de Sistemas Celulares CDMA (IS-95). El CDMA (Code Division Multiple Access) es un padrón digital de segunda generación del celular desarrollado en los Estados Unidos. Eduardo Tude Ingeniero de Telecomunicaciones (IME 78) y Maestro en Telecomunicaciones (INPE 81) habiendo actuado en las áreas de Redes Ópticas, Sistemas Celulares y Comunicaciones por Satélite. Ocupó varias posiciones de Dirección en empresas de Telecomunicaciones como VP de Operaciones de BMT, Director de Operaciones de Pegasus Telecom y Gerente de Planeamiento Celular de Ericsson. Pionero en el desarrollo de Satélites en Brasil (INPE), tiene vasta experiencia internacional, es poseedor de una patente en el área y ha participado constantemente como conferencista en seminarios. Ha asumido desde 2002 un nuevo reto profesional como empreendedor y Presidente de Teleco. etude@teleco.com.br Duración estimada: 15 minutos Publicado el: 21/04/

2 CDMA: Arquitectura El CDMA es una tecnología que utiliza ensanchado o disperso espectral (Spread Spectrum) como medio de acceso para permitir que varios usuarios compartan una misma banda de frecuencias. El CDMA permite una mejor utilización del espectro posibilitando un aumento de capacidad de los sistemas móviles celulares. La familia de normas TIA IS-95 de la Telecommunications Industry Association de los Estados Unidos estandarizó los sistemas celulares digitales de segunda generación conocidos popularmente como CDMA, o cdmaone y que son basados en el IS-95. Esta tecnología fue en gran parte desarrollada por la empresa estadounidense Qualcomm. El CDMA tiene la estructura básica de los sistemas celulares y ofrece las mismas funcionalidades básicas asociadas a la movilidad como roaming y handover entre células. (Consulte el Tutorial Telefonía Celular en Brasil). La arquitectura básica de un Sistema Celular CDMA (IS-95) es presentada en la figura a continuación. Mobile Station (MS) Mobile Station o Estación Móvil es el terminal utilizado por el suscriptor. La estación móvil es identificada por un MIN (Mobile Identification Number). El equipamiento dispone aún de un número de serie electrónico (ESN). Estación Radio Base (ERB) Equipamiento encargado de la comunicación con las estaciones móviles en una determinada área que constituye una célula. Base Station Controller (BSC) Controla un grupo de ERBs. En algunos sistemas CDMA las funciones del BSC son implementadas en la CCC. 2

3 Central de Conmutación y Control (CCC) Es la central responsable por las funciones de conmutación y señalización para las estaciones móviles localizadas en un área geográfica designada como el área de la CCC. Home Location Register (HLR) Home Location Register o Registro de Suscriptores Locales es la base de datos que contiene informaciones sobre los suscriptores de un sistema móvil celular. Visitor Location Register (VLR) Visitor Location Register o Registro de Suscriptores Visitantes es la base de datos que contiene informaciones sobre los suscriptores en visita (roaming) a un sistema móvil celular. 3

4 CDMA: Interface entre Estación Móvil y ERB Las características principales de la interface entre la Estación Móvil y ERB son presentadas a continuación. Frecuencias de Operación (MHz) El CDMA IS-95 fue desarrollado en los Estados Unidos y estandarizó las frecuencias utilizadas en ese país. 800 MHz PCS 1900 Estación Móvil -> ERB ERB -> Estación Móvil Espaciamiento entre Frecuencias ( Transmisión y Recepción) En Brasil el CDMA ha sido utilizado por las operadoras en el rango de 800 MHz en las Bandas A y B. Hubo también uso limitado en la frecuencia de 1,9 GHz para la Telefonía Fija (WLL Wireless Local Loop) una vez que este rango no está todavía disponible en Brasil para la Telefonía Celular. Canalización Las Bandas del CDMA son divididas en canales de RF, donde cada canal consiste de un par de frecuencias (Transmisión y Recepción) con 1,25 MHz de banda cada. Teóricamente podrían existir, por tanto, hasta 10 canales de RF en una Banda de 12,5 MHz como ocurre en los rangos de 800 MHz. En la práctica el número es menor pues esta Banda es dividida con el AMPS y es necesario establecer una banda de guarda. Diferente de los demás sistemas donde el múltiplo acceso de varios terminales a una misma ERB es hecho ajustando una frecuencia para cada terminal (AMPS), o compartiendo un mismo rango de frecuencia pero transmitiendo en momentos diferentes (TDMA), en el CDMA el acceso múltiplo de canales que comparten una misma banda de frecuencias es hecho por la utilización de códigos diferentes por los varios terminales. La información es extraída de estos canales conociéndose la llave específica con la cual cada canal es codificado. El CDMA utiliza la técnica de Spread Spectrum en el cual la señal de información es codificada utilizándose una llave de código que provoca su dispersión (ensanchado) espectral en una banda transformándolo aparentemente en ruido. Los códigos utilizados pueden ser ortogonales (Walsh) o PN ( Pseudo-noise ). Un bit de este tipo de código es conocido como "chip" y la tasa de bits de este código de chip rate. Este tipo de dispersión espectral es denominado espectro ensanchado por secuencia directa. El CDMA utiliza tres tipos de código, todos con una tasa de 1,2288 megachips. Walsh Conjunto de 64 códigos ortogonales W0 a W63. PN largo PN corto Conjunto de 4,398 x códigos diferentes ( ), generados por un registrador de desplazamiento de 42 bits. Conjunto de códigos diferentes (2 15 1), generados por un registrador de desplazamiento de 15 bits. 4

5 En la comunicación entre la estación móvil y ERB se utilizan esquemas de codificación diferentes en cada dirección del enlace. Canales Códigos Modulación ERB -> Estación Móvil PilotoPagingSincronismoTráfico Walsh PN largo para criptografía PN corto QPSK Estación Móvil -> ERB Tráfico Aceso PN largo PN corto Walsh para modulación OQPSK Cabe aún los siguientes comentarios: Todos los canales reciben todavía otra máscara con el código de reflexión PN corto para la identificación del sector del transmisor en la ERB lo que posibilita la reutilización de frecuencia entre sectores. Los canales de piloto y sincronismo son necesarios para la decodificación cuando se utilizan códigos de Walsh. En el enlace entre ERB y la Estación Móvil los códigos de Walsh son usados para identificar canales diferentes. En el enlace reverso los códigos de Walsh son usados para identificar diferentes grupos de seis símbolos. El canal de acceso es utilizado para que la Estación Móvil se comunique con la ERB cuando todavía no hay ningún canal de tráfico designado; Los canales de tráfico son utilizados para voz/datos del usuario e información de señalización.; Los codificadores de voz (vocoder) más utilizados en el CDMA son del tipo EVRC (Enhanced Variable Rate Coder) que utilizan tasas que varían entre 1,8 Kbit/s, 3,6 kbit/s, 7,2 kbit/s y 14,4 kbit/s. El IS-95 es por tanto una combinación de FDMA y CDMA. Capacidad del CDMA La figura a continuación traduce una situación de cargamento de un canal de RF del CDMA. 5

6 Mientras más usuarios utilizan el canal, mayor el ruido y el aumento de interferencia para los canales que utilizan la misma banda hasta un umbral cuando no es más posible descodificar los canales. Esta interferencia también es tanto mayor, cuanto mayor la potencia individual de cada canal transmitida en aquella banda. Este comportamiento motivó al desarrollo de un sofisticado mecanismo de control de potencia en los terminales y ERBs de un sistema CDMA. Este control de potencia lleva también a la expansión y a la contracción del rayo de una célula CDMA conforme su cargamento con el tráfico. La sectorización de células es usada para reducir la interferencia, una vez que cada sector utiliza antenas direccionales y no interfieren en los demás sectores de la célula. Uno de los factores que contribuye para la gran capacidad alcanzada por sistemas CDMA es la posibilidad de utilización de reuso de 1, o sea, la misma frecuencia de portadora es reutilizada en todas las células. La eficiencia de utilización del espectro, o capacidad de un sistema CDMA (IS-95), es mayor que de los demás sistemas existentes AMPS, TDMA (IS-136) y GSM. 6

7 CDMA: IS-41 El IS-41 es el protocolo desarrollado por la TIA (Telecommunications Industry Association) de los Estados Unidos para implementar la señalización entre redes celulares y posibilitar el roaming entre operadoras. Éste es el protocolo utilizado por sistemas basados en padrones desarrollados por la TIA como AMPS, TDMA (IS-136) y CDMA (IS-95). En Brasil, la red nacional de roaming, que posibilita el roaming automático entre celulares de las Bandas A y B, es basada en el protocolo IS-41. El Protocolo IS-41 es dividido en dos partes: Servicio de Aplicación IS-41 y Servicios de Transferencia de Datos. Servicios de la Aplicación IS 41 (Capa OSI 7*) Servicios de Transferencia de Datos (Capas OSI 1, 2 y 3) IS-41 MAP TCAP (ANSI) SCCP (ANSI) MTP (ANSI) X.25 Servicios de Transferencia de Datos El IS-41 especifica dos opciones para estas capas: Protocolo X.25 y las capas MTP (Message Transfer Part) y SCCP (Signaling Connection Control Part) del protocolo SS7 padrón ANSI adoptado en los Estados Unidos. Servicios de Aplicación Para los servicios de aplicación fue especificada una capa IS-41 MAP (Mobile Application Part) que implementa las funciones de movilidad asociadas al roaming entre sistemas celulares. Esta capa utiliza como soporte el TCAP (Transaction Capabilities Application Part) del protocolo SS7 padrón ANSI. Las capas OSI 4, 5 y 6 son nulas. 7

8 CDMA: Servicios Los sistemas CDMA (IS-95) ofrecen a parte de los servicios de telefonía (voz) decenas de servicios suplementares, tales como la identificación del número de quien está llamando, llamada en espera, sígame y conferencia. El Servicio de Mensajes Cortas (SMS) tiene soporte del IS-41 para suscriptores en roaming. Los Servicios de Mensaje Multimedia (MMS) que permiten a los suscriptores móviles enviar fotos, videos y audio, así como el acceso a la Internet han sido los motivadores para la evolución de los sistemas CDMA en el sentido de ofrecer conexiones de datos con altas tasas. Esta evolución para los servicios de tercera generación con tasas de datos de hasta 2 Mbit/s viene siendo estandarizada por el 3rd Generation Partnership Project 2 (3GPP2) y mantiene la compatibilidad con los sistemas IS-95 y su estructura de canales de RF de 1,25 MHz. Están siendo desarrollados los siguientes padrones: Generación 2 G 2,5 G 3G Tecnología cdmaone (IS- 95 A y B) CDMA2000 1X* Tasa de datos (teórica) 14,4 kbit/s 153 kbit/s 2,4 Mbit/s * CDMA2000 1X= CDMA/IS-95-C, CDMA 1xRTT o cdma2000 1x. El CDMA 1xEV tiene su evolución en dos etapas: CDMA 1xEV-DO CDMA 1xEV-DV 1xEV-DO (Data Only) donde una portadora de 1,25 Mhz es dedicada sólo para datos, y posteriormente; 1xEV-DV (Data and Voice) donde una portadora podrá ser utilizada para voz y datos. El CDMA 1xRTT ya se encuentra en operación en Brasil con una portadora dedicada a datos. 8

9 CDMA: Consideraciones Finales El CDMA alcanzó en marzo de 2003 según el EMC la marca de 146 millones de suscriptores o un 12,85% de los suscriptores mundiales, siendo que un 42% de estos suscriptores están en los Estados Unidos donde más del 40% de los celulares son CDMA. El CDMA representaba en diciembre de 2002 en Brasil un 32% de los suscriptores de celular. Consulte las secciones de referencia rápida de Teleco. La evolución de los sistemas celulares para 3G debe consolidar la existencia de dos familias de padrones a nivel mundial: el GSM y el CDMA evolucionando a partir del IS-95. Los esfuerzos de estandarización de sistemas de 3G por la UIT a través del proyecto IMT ha dado origen a dos proyectos: 3GPP (Third Generation Partnership Project) y el 3GPP2 (Third Generation Partnership Project 2) para el GSM y CDMA respectivamente. Las diferencias entre estas familias envuelven las características de la interface radio entre Estación Móvil y ERB y el padrón de señalización utilizada en la arquitectura de red y en el roaming. Estas diferencias reflejan en los diferentes padrones utilizados en los países de donde se originan, o sea, GSM, de Europa, y CDMA IS-95 e IS-41, de los Estados Unidos. Referencias 3GPP2 Responsable por la estandarización de la evolución del CDMA para el 3G. TIA Desarrolló las normas para el CDMA. CDG CDMA Development Group, consorcio internacional de empresas que dan soporte al CDMA. Wireless BR Posee sección con varios artículos sobre CDMA. 9

10 CDMA: Evalúe su Entendimiento 1. Señale la alternativa falsa: Las Bandas del CDMA son divididas en canales de RF con 1,25 MHz de banda cada. Las interfaces de señalización para roaming en una red CDMA son basadas en el protocolo IS-41. La estructura de codificación de los canales CDMA es la misma en los dos sentidos de comunicación entre ERB y Estación Móvil. Los canales de piloto y sincronismos son necesarios para la decodificación cuando se utilizan códigos de Walsh. 2. Señale la Alternativa verdadera: El 3GPP (Third Generation Partnership Project) es responsable por la estandarización de la evolución del CDMA (IS-95) para 3G. El CDMA (IS-95) no soporta SMS. El IS-41 es soportado por el SS7 (ANSI). El CDMA y el TDMA (IS-136) tienen la misma capacidad. 3. Señale el elemento que no hace parte de la arquitectura de una red CDMA (IS-45): CCC. SIM Card. ERB. HLR. VLR. 10